地下水課程設(shè)計(jì).doc

地下水防治方法與技術(shù)課 程 設(shè) 計(jì) 學(xué)號(hào)：20101003109 姓名：安忠明 班級(jí)：041101中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院目 錄（一）礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析1.礦區(qū)自然地理?xiàng)l件（1）地形（2）水文（3）氣候 2.區(qū)域地質(zhì)（1）地層（2）構(gòu)造3.巖石含水性4.分析地表水與地下水之間的水力聯(lián)系5.分析各含水層之間的水力聯(lián)系及斷層的導(dǎo)水性6.分析礦區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件（二）礦坑充水條件分析1.分析不同含水層對(duì)、號(hào)煤層開采的充水意義2.分析斷層對(duì)礦坑充水的作用3.分析二號(hào)礦號(hào)煤層底板的穩(wěn)定性4.分析河下采煤條件（三）初步預(yù)測(cè)二礦的礦坑涌水量1.薄層灰?guī)r涌水量初步預(yù)測(cè) 2.初步預(yù)測(cè)開采-50m水平一號(hào)煤時(shí)需對(duì)奧陶紀(jì)灰?guī)r地下水降壓的排水量 （一）礦區(qū)水文地質(zhì)條件分析1.礦區(qū)自然地理?xiàng)l件（1）地形 該礦區(qū)地形較為簡(jiǎn)單，是一四面為正地形，中間為負(fù)地形的盆地，西北面為區(qū)內(nèi)最高海拔，約500米，最低海拔處于洺河河谷，約300米。洺河位于礦區(qū)中部，流向從北向南。（2）水文 礦區(qū)內(nèi)發(fā)育的主要水系為洺河，由五條主干支流匯集而成，在奧陶系巖溶發(fā)育地段有河水漏失現(xiàn)象。據(jù)當(dāng)?shù)販y(cè)水站統(tǒng)計(jì)，上游流量為3000，下游流量為85000（二者均為1978年8月3日統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)）。區(qū)內(nèi)下降泉有11處，主要出露于東側(cè)的侵入巖中，流量0.01-0.5；上升泉有1處，出露于南部的第四系內(nèi)，從剖面圖上可知此泉與F4斷層的導(dǎo)水性有關(guān)，流量為80000。（3）氣候根據(jù)已知?dú)庀笥^測(cè)資料繪制氣象要素（降水量、蒸發(fā)量）變化統(tǒng)計(jì)圖(圖1)可知，全區(qū)年均降雨量64.6mm，一般集中在69月，占全年降雨量84.5%；該地區(qū)蒸發(fā)量大，年均蒸發(fā)量84.6mm，主要集中在37月，占全年80.8%。2.區(qū)域地質(zhì)條件（1）地層 本區(qū)主要出露前震旦系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、白堊系、第四系地層。主要含煤地層為石炭、二疊系砂頁(yè)巖。 地層自上而下描述如下：第四系（）：厚0-50米，位于區(qū)域中部，沿洺河流域分布，巖性主要為砂礫互層。白堊系（K）：厚80-140米，分布于中部，南北向條狀展布，巖性為凝灰質(zhì)砂頁(yè)巖。二疊系（P）：厚約250米，分布于圖區(qū)中部，南北向條狀展布，巖性為砂頁(yè)巖。石炭系（C）：厚200-250米，分布于圖區(qū)中部，南北向條狀展布，巖性為砂頁(yè)巖、頁(yè)巖夾鋁土層，鋁土層厚35-40米。巖層中可開采煤層3-5米。上石炭統(tǒng)砂頁(yè)巖煤層頂部含有5-8米灰?guī)r。奧陶系（O）：厚800-1000米，分布于圖區(qū)西北部、西部，沿西北向條狀展布，巖性主要為結(jié)晶灰?guī)r及白云巖。巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，河流流經(jīng)區(qū)域發(fā)生河水漏失現(xiàn)象。從剖面圖可看出，與上覆地層之間缺失泥盆系及志留系地層，但是新老順序未變，可知與上覆石炭系地層為平行不整合接觸關(guān)系。寒武系（）：分布于圖區(qū)西北部、西部，沿西北向條狀展布，巖性為灰?guī)r、頁(yè)巖。震旦系（Z）：厚約300米，分布于圖區(qū)西南角，巖性為石英砂巖。前震旦系（Al）：分布于圖區(qū)東部、東南部，出露面積較大，巖性為片巖、片麻巖。（2）構(gòu)造本區(qū)受燕山運(yùn)動(dòng)的影響，使東西向斷層被南北向斷層切割，形成 “棋盤格”狀的構(gòu)造格局。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育4條斷層，均為正斷層。其中F1斷層沿南北向延伸，貫通整個(gè)區(qū)域；F2、F3、F4為東西走向斷層。斷層使地層有一定的錯(cuò)動(dòng)，對(duì)區(qū)內(nèi)地表水、地下水分布及流動(dòng)有一定影響。3.巖石含水性 由煤田水文地質(zhì)圖可知本區(qū)含水層主要有：第四系松散堆積層、石炭系及二疊系砂頁(yè)巖、奧陶系及寒武系灰?guī)r、震旦系石英砂巖、前震旦系片麻巖。隔水層主要有：白堊系凝灰質(zhì)砂頁(yè)巖、二疊系及石炭系頁(yè)巖。第四系松散堆積層中地下水為孔隙水，主要接受大氣降雨及地表水補(bǔ)給，含水性較好。前震旦系片麻巖及震旦系石英砂巖中地下水為基巖裂隙水，主要接受大氣降雨補(bǔ)給。由出露的泉來(lái)看，其流量為0.01-0.5，可知其含水性一般。石炭系及二疊系砂頁(yè)巖中地下水為砂巖裂隙水，由鉆孔資料可知，此層單位降深較大，故其含水性較差，礦化度0.61.0g/L。奧陶系及寒武系灰?guī)r中地下水為巖溶裂隙水及巖溶水，含水性較好,礦化度0.250.5g/L。石炭系砂頁(yè)巖夾灰?guī)r層中存在巖溶裂隙水，含水性較好,礦化度0.60.9 g/L。白堊系凝灰質(zhì)砂頁(yè)巖、二疊系及石炭系頁(yè)巖為隔水層，在礦區(qū)內(nèi)分布較廣，厚度80-140米，隔水性較好。4.地表水與地下水之間的水力聯(lián)系 由煤田水文地質(zhì)圖可知，地表水與地下水之間存在密切的水力聯(lián)系。在圖區(qū)西北部及北部發(fā)生河水漏失現(xiàn)象，證明此處地表水補(bǔ)給地下水。第四系潛水分布區(qū)，地表水與地下水聯(lián)系緊密，豐水季節(jié)地下水補(bǔ)給地表水；枯水季節(jié)地表水補(bǔ)給地下水。圖區(qū)內(nèi)泉水出露較多，多分布于洺河支流發(fā)育地段，為地下水補(bǔ)給地表水。其中 1號(hào)泉為上升泉，流量大；其余泉均為下降泉，且流量較小。從洺河上分布的三個(gè)測(cè)水站統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，圖區(qū)內(nèi)總體的補(bǔ)給關(guān)系是地下水補(bǔ)給地表水。5.各含水層之間的水力聯(lián)系及斷層的導(dǎo)水性（1） 各含水層之間的水力聯(lián)系 分析煤田水文地質(zhì)圖以及各鉆孔資料可知，各含水層之間的水力聯(lián)系因地質(zhì)條件的不同而有所差異，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第四系砂礫石含水層與奧陶系灰?guī)r含水層接觸處巖溶發(fā)育，且發(fā)生河水漏失，說(shuō)明河水補(bǔ)給第四系含水層后，第四系含水層內(nèi)的地下水又補(bǔ)給了灰?guī)r溶洞中的巖溶水，故在圖區(qū)內(nèi)河流流經(jīng)奧陶系灰?guī)r處（在圖區(qū)北部和西部?jī)商帲┑谒南岛畬优c奧陶系含水層的水力聯(lián)系非常緊密。由剖面圖可知，第四系砂礫石含水層與石炭二疊系砂巖含水層之間在直接的水力聯(lián)系。但是在剖面圖中，兩含水層之間存在白堊系凝灰質(zhì)砂頁(yè)巖隔水層，阻斷了二者的水力聯(lián)系。由A1、A2、A3、A4四個(gè)水文地質(zhì)孔的數(shù)據(jù)可知，石炭二疊系砂巖含水層與上石炭統(tǒng)砂巖含水層的水位標(biāo)高、礦化度及裂隙率相差不大，故兩含水層之間存在水力聯(lián)系。水文地質(zhì)孔A1、A2、A3的數(shù)據(jù)表明中下奧陶統(tǒng)灰?guī)r含水層與上石炭統(tǒng)砂巖含水層的水位標(biāo)高、礦化度及裂隙率相差較大，說(shuō)明兩含水層之間的水力聯(lián)系微弱。由剖面圖可知，由于F4斷層的存在，使得前震旦系片巖片麻巖含水層與震旦系石英巖含水層之間有一定的水力聯(lián)系。（2）斷層的導(dǎo)水性分析 礦區(qū)內(nèi)共發(fā)育有F1、F2、F3、F4四條正斷層，各斷層的導(dǎo)水性有所不同，主要表現(xiàn)在斷層處出露泉的流量大小、斷層與各含水層之間的位置關(guān)系以及斷層本身的性質(zhì)，分別分析如下：由煤田水文地質(zhì)圖可知，F(xiàn)1斷層延伸較長(zhǎng)，貫穿整個(gè)圖幅。斷層附近只發(fā)育10號(hào)、11號(hào)兩個(gè)下降泉，無(wú)上升泉，且兩個(gè)下降泉流量較小（分別為0.2及0.5），是前震旦系片巖片麻巖中的裂隙水形成的溢流下降泉，故F1斷層在垂向上是阻水的。而斷層兩盤的含水層的含水量相差很大，證明該斷層在橫向也是阻水的。綜上所述，F(xiàn)1斷層為垂向和水平向都是阻水的。由斷層F2附近的A2水文地質(zhì)孔資料可知，上石炭統(tǒng)砂頁(yè)巖和中下奧陶統(tǒng)結(jié)晶灰?guī)r含水層中的地下水位標(biāo)高、礦化度、裂隙率均不相同，且沒(méi)有泉水出露于地表，故F2斷層在垂向上是阻水的。由剖面圖可知，在F2斷層處的地下水水位線連續(xù)，地下水流向無(wú)明顯變化，且在A2孔中同一含水層中水的礦化度、裂隙率相同，證明F2斷層兩盤的含水層之間存在水力聯(lián)系，故F2斷層在水平向是導(dǎo)水的。 同理，F(xiàn)3斷層在垂向上是阻水?dāng)鄬樱谒较蚴菍?dǎo)水?dāng)鄬?。由剖面圖可看出F4斷層處有一上升泉，且流量較大（為80000），此泉是由斷層上盤各含水層中的地下水匯集后遇斷層而流出地表，說(shuō)明此處F4斷層是地下水流動(dòng)的集水廊道，進(jìn)而證明了F4斷層在垂向上是導(dǎo)水的。斷層上、下兩盤之間的巖性差異較大（上盤為沉積巖，含水性較好；下盤為變質(zhì)巖，含水性較差。），兩盤巖層的含水量相差很大，說(shuō)明二者之間水力聯(lián)系不大，即證明F4斷層在水平向是阻水的。6.礦區(qū)地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄條件 圖區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水、地表水以及地下徑流的側(cè)向補(bǔ)給；由剖面圖可知地下水的徑流方向基本與地形一致，從西、北、東三個(gè)方向向南部地勢(shì)較低處流動(dòng)；排泄除蒸發(fā)外主要以泉的形式向地表排泄。 礦區(qū)含水層主要有第四系砂礫石層、石炭系及二疊系砂頁(yè)巖、奧陶系及寒武系灰?guī)r、震旦系石英砂巖及前震旦系片麻巖，各含水層之間存在一定的水力聯(lián)系，且斷層對(duì)礦區(qū)的地下水補(bǔ)、徑、排的影響也不容忽視，現(xiàn)分別敘述如下： 第四系砂礫石中的孔隙水補(bǔ)給來(lái)源有：大氣降雨和地表河水的下滲以及地下各含水層徑流的側(cè)向補(bǔ)給。補(bǔ)給量的大小由降雨量、巖石孔隙度、地下水徑流強(qiáng)度決定。排泄主要以蒸發(fā)、補(bǔ)給洺河以及向周邊含水層排泄為主。 石炭系及二疊系砂頁(yè)巖中的地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水下滲和其周邊含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄途徑主要以1號(hào)上升泉向地表河流排泄為主，少部分通過(guò)地下徑流方式補(bǔ)給了其他含水層。 奧陶系及寒武系灰?guī)r中的地下水主要來(lái)源于大氣降雨下滲、洺河河水的漏失以及上石炭統(tǒng)砂頁(yè)巖的越流補(bǔ)給，排泄主要以F4斷層處形成的1號(hào)上升泉向地表河流排泄。 震旦系石英砂巖及前震旦系片麻巖中的基巖裂隙水主要來(lái)源于大氣降雨，以泉的形式向地表排泄，并補(bǔ)給了洺河?？傮w上來(lái)說(shuō)，礦區(qū)年降雨量較大（為775ml），直接補(bǔ)給各含水層；F4斷層處上升泉的流量較大（為80000），是地下水的主要排泄區(qū)，除此外還有基巖處的下降泉以及蒸發(fā)等方式。（二）礦坑充水條件分析1. 各含水層對(duì)、號(hào)煤層開采的充水意義 由概念：“某一含水層要成為礦坑的充水巖層，有兩種方式：直接揭露含水層，地下水進(jìn)入礦坑直接充水水源；含水層與井巷之間存在某種自然或人為的通道，通過(guò)通道對(duì)礦坑充水間接充水水源。”可知，在圖區(qū)內(nèi)能成為充水巖層的含水層有：寒武系及奧陶系灰?guī)r含水層、上石炭統(tǒng)砂頁(yè)巖含水層、上石炭統(tǒng)薄層灰?guī)r含水層、二疊系砂頁(yè)巖含水層和第四系砂礫石含水層。各含水層對(duì)、號(hào)煤層開采的充水意義分析如下：（1）由于F4斷層在橫向是阻水?dāng)鄬樱叵滤匀男问较虻乇砼判梗詧D區(qū)西南部的前震旦系片巖片麻巖含水層以及震旦系石英砂巖含水層不滿足充水巖層的條件，不能成為、號(hào)煤層開采的充水水源；（2）圖區(qū)東部的前震旦系片巖片麻巖由于F1斷層的阻水性也不能成為、號(hào)煤層開采的充水水源；（3）寒武系及奧陶系灰?guī)r含水層上覆的中石炭統(tǒng)頁(yè)巖隔水層起隔水作用， F2、F3斷層在橫向上是阻水的，在橫向上是導(dǎo)水的，且、號(hào)煤層上下都是相對(duì)隔水層，故寒武系及奧陶系灰?guī)r含水層不能成為、號(hào)煤層開采的充水水源。對(duì)號(hào)煤層而言，煤層上覆還有一層上石炭統(tǒng)中的薄層灰?guī)r，具導(dǎo)水性，由于F4斷層的垂向?qū)?，因此寒武系及奧陶系灰?guī)r含水層可能會(huì)成為號(hào)煤層開采的間接充水水源。（4）上石炭統(tǒng)砂頁(yè)巖含水層中含有、號(hào)煤層，是、號(hào)煤層開采時(shí)的直接充水水源，其上覆的二疊系砂頁(yè)巖是弱含水層，含有號(hào)煤層，故上石炭統(tǒng)砂頁(yè)巖含水層可能會(huì)成為號(hào)煤層開采時(shí)的間接充水水源。（5）上石炭統(tǒng)薄層灰?guī)r含水層上覆的上石炭統(tǒng)砂頁(yè)巖為弱含水層，故其對(duì)號(hào)煤層的開采有影響，是號(hào)煤層開采的間接充水水源；上石炭統(tǒng)薄層灰?guī)r含水層是號(hào)煤層的上覆巖層，號(hào)煤層開采時(shí)，會(huì)成為號(hào)煤層開采的直接充水水源；上石炭統(tǒng)薄層灰?guī)r含水層下覆的中石炭統(tǒng)頁(yè)巖是相對(duì)隔水層，對(duì)號(hào)煤層的開采無(wú)影響，不能成為號(hào)煤層開采的充水水源。（6）二疊系砂頁(yè)巖弱含水層中含有號(hào)煤層，是號(hào)煤層開采時(shí)的直接充水水源，下伏的上石炭統(tǒng)砂頁(yè)是弱含水層，且含有、號(hào)煤層，是有、號(hào)煤層開采時(shí)的間接充水水源。（7）第四系砂礫石含水層與其他含水層之間都有一定的水力聯(lián)系，是、號(hào)煤層開采時(shí)的間接充水水源。2.斷層構(gòu)造對(duì)礦坑充水的作用 由煤田水文地質(zhì)圖以及對(duì)各斷層導(dǎo)水性的判斷（詳見表1）可知，F(xiàn)1斷層無(wú)論是橫向還是垂向都是阻水?dāng)鄬?，且斷層?xùn)|部為前震旦系片巖片麻巖，是弱含水層，故F1斷層對(duì)一、二、三號(hào)礦坑的充水沒(méi)有影響；F2、F3斷層均為橫向?qū)?，垂向阻水的斷層，雖然兩條斷層都切過(guò)多個(gè)含水層，但是由于垂向上的阻水作用使各含水層之間沒(méi)有水力聯(lián)系，只起到地下水徑流方向的一致性，并沒(méi)有對(duì)各礦坑的充水提供有利條件；F4斷層的垂向?qū)允垢骱畬又g的水力聯(lián)系緊密，而且處于礦坑的邊緣地帶，故其為各礦坑提供了良好的充水條件，對(duì)安全開采造成一定的威脅。 綜上所述，四條斷層中只有F4斷層對(duì)礦坑充水有明顯影響，其余斷層對(duì)礦坑吹水并無(wú)顯著影響。3.二號(hào)礦號(hào)煤層底板的穩(wěn)定性 由一礦資料：頁(yè)巖平均抗張強(qiáng)度KP0.16MPa，平均容重2.45T/m3，巷道底板隔水層實(shí)際厚度t=30m，坑道底寬L10m。由剖面圖可知一礦號(hào)煤層與二礦號(hào)煤層所處的地質(zhì)環(huán)境基本相同，則可以借鑒一礦頁(yè)巖隔水層的有關(guān)數(shù)據(jù)。 當(dāng)二礦號(hào)煤層-50m水平開采，天然水位標(biāo)高為320m時(shí)的底板穩(wěn)定性計(jì)算過(guò)程如下：由斯列薩列夫公式：（底板） （1）式中：R巖層容重（N/m3）R2.45T/m3= 2.45*9.8*103N/m3=2.4*104 N/m3 巖層的抗張強(qiáng)度(MPa) ,=0.16MPa隔水底板厚度（m）,=30m開采區(qū)底寬（m）,=10m 將以上數(shù)據(jù)帶入斯列薩列夫公式得當(dāng)隔水底板厚度為30m，抗張強(qiáng)度為0.16MPa時(shí)，所能承受的極限水壓力大小為：=3.6MPa轉(zhuǎn)化成地下水位標(biāo)高為: =367.3m由于煤層是在-50m開采，故其允許水頭高度為： =367.3-50=317.3m天然=320m 綜上所述，二號(hào)礦號(hào)煤層底板不穩(wěn)定。4.河下采煤條件 由于河流流經(jīng)三個(gè)礦區(qū)之上，為確定河下采煤安全開采上限，留設(shè)防水柱、實(shí)現(xiàn)地下安全施工作業(yè)，需對(duì)河下安全開采的深度進(jìn)行計(jì)算。安全開采深度是指地下安全施工區(qū)的最小埋深值，是保證安全開采的深度。 由已知資料可知，煤層平均傾角10，開采厚度m=6m，巖石碎脹系數(shù)K1.3，河床第四系厚度為50m，保護(hù)層厚度Hc=20m。 此煤層由傾角可知為緩傾斜煤層，故由經(jīng)驗(yàn)公式： （2）式中， 巖石的碎脹系數(shù)，即巖石跨落前后的體積比，K=1.3 礦層厚度或開采厚度（或開挖凈空）（m）,=6m 煤層傾角（），=10將數(shù)據(jù)代入經(jīng)驗(yàn)公式求得： 而 （3）取防水礦柱高度： （4）緩角度時(shí) （5）式中為煤層傾角，砂頁(yè)巖類的保護(hù)層厚度取將數(shù)據(jù)代入（4）式計(jì)算得所以，河下煤層的安全開采深度為: 綜上所述，要達(dá)到河下安全采煤，需留設(shè)安全防水礦柱的高度為60m，河下安全開采的深度是110m。（三）初步預(yù)測(cè)二礦的礦坑涌水量1.C3薄層灰?guī)r涌水量初步預(yù)測(cè) 由一礦資料可知：+200m水平開采二號(hào)煤層時(shí)，天然水位標(biāo)高321m，坑道系統(tǒng)長(zhǎng)1500m，寬1000m，開拓排水一年時(shí)，礦坑涌水量為1200 m3d。二礦資料：開采0m水平二號(hào)煤層時(shí)，坑道系統(tǒng)長(zhǎng)2000m，寬1060m。由于一礦和二礦兩煤層的水文地質(zhì)條件相似，開拓進(jìn)度、采礦技術(shù)要求基本一致，故用用水文地質(zhì)比擬法中的單位涌水量法方法二預(yù)測(cè)，根據(jù)公式 式中， 一礦的涌水量，（m3d），Q1=1200m3d； 二礦的涌水量，（m3d）； 一礦的開采面積，（m）,F1=1500*1000=1.5*10 m； 二礦的開采面積，（m），F(xiàn)2=2000*1060=2.12*10 m； 一礦的降深(m),S1=321-200=121m； 二礦的降深（m）,S2=321-0=321m； 待定系數(shù)，需要通過(guò)對(duì)涌水量與開采面積、降深的統(tǒng)計(jì)關(guān)系取值，此處取。 將以上數(shù)據(jù)代入式（6）得 故開采0m水平二號(hào)煤時(shí)，C3薄層灰?guī)r的涌水量為4500。2.初步預(yù)測(cè)開采-50m水平一號(hào)煤時(shí)需對(duì)奧陶紀(jì)灰?guī)r地下水降壓的排水量（1）根據(jù)A1孔抽水CK1觀測(cè)孔的觀測(cè)資料，用特定條件標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比法計(jì)算奧陶紀(jì)灰?guī)r含水層的參數(shù)T、a。 由煤田水文地質(zhì)圖可看出，西南部的F4斷層距水